一种采用复合键合材料的多层玻璃基板及制作工艺的制作方法

1.本发明属于半导体封装的技术领域，具体涉及一种采用复合键合材料的多层玻璃基板及制作工艺。


背景技术：

2.传统的半导体封装是使用引线框架作ic导通线路与支撑ic的载具，它连接引脚于引线框架的两旁或四周。随着半导体封装技术的发展，当引脚数增多(超过500个引脚)，传统的qfp等封装形式已对其发展有所限制。这样，在20世纪90年代中期，以bga、csp为代表的新型半导体封装形式问世，随之也产生了一种半导体芯片封装必要的新载体，这就是半导体封装基板(ic package substrate，又称为半导体封装载板)。
3.基板为芯片提供电连接、保护、支撑、散热与组装，是先进工艺下巨量i/o提升以及系统级封装(sip)的核心载体。高端基板受到电、热、尺寸、功能性以及周期成本的综合驱动，向着薄厚度、高散热性、精细线路、高集成度、短制造周期方向发展。因此，先进的基板材料应具备以下特性：ultra low cte、low dk、low df、high tg、high modulus等特点。玻璃材质的电阻率高，绝缘性能佳，对信号隔离度好，可减小了信号之间的串扰，对高频信号的传输有着得天独厚的优势，且其拥有可调的热膨胀系数(cte)、高杨氏模量、在一定程度上可解决热失配的问题。
4.常规玻璃基板的封装应用是在玻璃基板上形成贯穿厚度方向的导电柱，通过导电柱形成玻璃基板相对两表面布线层的互联，如何采用玻璃基板实现三维集成，尤其是多层再布线结构的堆叠互联并使其适用于高频信号传输成为难题。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种采用复合键合材料的多层玻璃基板及制作工艺。
6.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
7.一种采用复合键合材料的多层玻璃基板，包括至少两层玻璃基板和设于两层玻璃基板之间的键合层；所述玻璃基板的表面设有布线层，所述玻璃基板设有上下贯穿的通孔，所述键合层设有开孔，所述通孔和开孔填充金属导电材料连同表面布线层实现上下互连；其中，所述键合层由非光敏复合键合材料固化形成，所述非光敏复合键合材料由40％～50％的有机组分和50％～60％的无机填料组成，其中有机组分包括非光敏聚酰亚胺、聚酰胺纤维、环氧树脂中的至少一种；无机填料包括氰酸酯、玻璃、硅、氧化硅中的至少一种，无机填料为微粉或纤维。
8.可选的，所述键合层的厚度为10～100μm，所述无机填料的直径为0.1μm～0.3μm。
9.可选的，所述键合层的df＜0.01，dk＜3.3。
10.可选的，所述玻璃基板为石英玻璃可选石英、硅酸盐玻璃等，玻璃种类可考虑芯片与pcb基板的力学参数，选择与其具有相近cte的玻璃晶圆。
11.可选的，所述键合层的热膨胀系数和模量与所述玻璃基板相匹配。非光敏复合键合材料的玻璃转换温度、热膨胀系数及模量等可选范围相对光敏键合材料更广，可根据需求选择与玻璃基板匹配的性能。
12.一种上述采用复合键合材料的多层玻璃基板的制作工艺，其包括以下步骤：
13.a)于第一玻璃基板上制作开口向上的盲孔，于盲孔内填充金属导电材料，于第一玻璃基板上表面制作第一布线层；
14.b)采用所述非光敏复合键合材料于第一玻璃基板上表面形成键合层，预固化后通过激光开设贯穿键合层的开孔；
15.c)将制作有上下贯穿的通孔的第二玻璃基板通过晶圆级键合方式键合到键合层上，然后固化所述键合层；
16.d)于第二玻璃基板的通孔和键合层的开孔内填充金属导电材料，并在第二玻璃基板的上表面制作第二布线层；
17.e)对第一玻璃基板进行机械减薄并形成tgv通孔，于第一玻璃基板下表面制作第三布线层。
18.可选的，所述步骤b)中，将有机组分和无机组分按所述比例混合后形成非光敏复合键合材料片材，采用滚轮贴膜或者真空压合的方式贴合到所述第一玻璃基板上形成键合层。
19.可选的，所述步骤b)中，预固化温度为100℃～120℃；所述步骤c)中，在160℃～220℃下烘烤固化所述键合层。
20.可选的，所述步骤b)中，激光器为二氧化碳激光器或紫外激光器，所使用的激光光斑直径为10～40μm，单孔脉冲数为2000～10000，单脉冲能量为1uj～15uj。
21.可选的，所述开孔内裸露所述第一布线层，所述开孔由裸露所述第一布线层的底部至顶部方向直径逐渐增大。
22.可选的，通过重复步骤b)到步骤d)，形成多层玻璃基板堆叠和多层布线层上下导通的结构。
23.本发明的有益效果为：
24.采用玻璃作为基板，其具有优良的高频电学特性，可调的cte，根据不同的芯片找寻适合的玻璃型号进行加工，提高了整体封装的可靠性；使用本发明的复合键合材料作为多层玻璃堆叠的键合层，其玻璃转换温度、热膨胀系数及模量等性能与玻璃基板具有较高的匹配度，且具有较低的介电常数和损耗角正切，可满足高频高速信号传输的要求，并且良好的粘附强度也使其具有良好的可靠性保障。
附图说明
25.图1为实施例1的采用复合键合材料的多层玻璃基板的结构示意图；
26.图2为实施例1的工艺流程图，图中显示各步骤得到的结构。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件
的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
28.实施例1
29.参考图1，实施例1的采用复合键合材料的多层玻璃基板，以两层玻璃基板结构作为示例，包括第一玻璃基板1和第二玻璃基板2，第一玻璃基板1和第二玻璃基板2之间设有键合层3。第一玻璃基板1设有通孔11，上表面设有第一布线层4，下表面设有第三布线层5；第二玻璃基板2设有通孔21，上表面设有第二布线层6；键合层3开设有开孔31；通孔11、通孔21和开孔31填充金属导电材料实现了第一布线层4、第二布线层6和第三布线层5的上下互连。
30.其中，键合层3由非光敏复合键合材料固化形成，所述复合键合材料的组成包括50％的非光敏聚酰亚胺(polyimide，pi)和50％的玻璃纤维，混合后制成片材。玻璃纤维是硅酸盐玻璃纤维，直径为0.1μm～0.3μm。玻璃基板为硅酸盐玻璃。玻璃作为基板，相比较硅基板具有可调的cte，提高互连良率和可靠性；且玻璃的介电常数只有硅材料的1/3，使得衬底损耗和寄生效应大大减小，可以有效提高传输信号的完整性；且相比较与硅基板封装工艺，tgv不需要在内壁沉积氧化硅绝缘层，工序较为简单。
31.参考图2，以下具体说明上述多层玻璃基板的制作工艺。
32.步骤1，首先，提供第一玻璃基板1，厚度500～700μm，通过激光诱导化学刻蚀方法在第一玻璃基板1上制备相应孔径的盲孔11’，盲孔11’深度为120～180μm，并且通过溅射、光刻、电镀、去胶、刻蚀等方式实现孔内金属铜或其他金属导电材料填充。在第一玻璃基板1上表面制作表面金属线路作为第一布线层4。
33.步骤2，提供非光敏复合键合层材料的片材，厚度约50μm，通过滚轮贴膜或者真空压合的方式贴合在第一玻璃基板1的第一布线层4上形成键合层3，在110℃左右预固化10～30min，然后通过激光开设贯穿键合层3的半封闭开孔31，开孔31底部裸露出第一布线层4。其中，半封闭开孔31可表征为在第一布线层2的底部至顶部直径逐渐增大，侧壁平滑无台阶。所采用激光成孔方式为以uv激光为例，激光光斑直径约20μm，单孔脉冲数为5000，单脉冲能量为8uj，其在紫外线区高能量光子破坏有机材料的长分子链，成为更小的微粒，在外力的掐吸情况之下，使键合层3被快速除去而形成微孔。
34.步骤3，提供具有通孔21的第二玻璃基板2，第二玻璃基板2的厚度为100～150μm，通孔21采用例如激光改性等工艺形成。将第二玻璃基板2通过晶圆级键合方式键合至键合层3上，并在180℃下烘烤固化使第一玻璃基板1和第二玻璃基板2成永久粘合状态。
35.步骤4，采用溅射及电镀方式在第二玻璃基板2的通孔和开孔31内填充铜或其他金属导电材料。在第二玻璃基板2的上表面形成高精密电路图形作为第二布线层6。
36.步骤5，通过机械研磨方式(先粗磨，后精磨抛光)对第一玻璃基板1下表面进行减薄至盲孔11’的底面露出形成tgv通孔，通过溅射、光刻、电镀等方式在第一玻璃基板1的下表面完成第三布线层5，最终实现了两层玻璃基板堆叠互连。
37.循环步骤2～4若干次，可在所述玻璃基板上形成多层相导通的线路，最终形成成品。
38.此外，还包括在形成的多层结构的表面覆盖钝化层等保护层并开口以进行电路连接等步骤。
39.本实施例中，键合层的介电常数为3.2@10ghz，损耗角正切为0.009@10ghz，通过设计10mm长度gcpwtostripline结构，得到的采用复合键合材料的双层玻璃基板插损结果为：0.68db@60ghz。相比较与ltcc衬底结构采用相同带状线设计结构，其长度为6.14mm的插损结果为0.87db@40ghz，因此本例所采用设计方案及思路有明显优势。
40.实施例2
41.实施例2与实施例1的差别在于：复合键合材料的组成为40％的环氧树脂(epoxy)、20％的玻璃纤维和40％的无机纤维氰酸酯，氰酸酯通过氰酸聚反应形成三嗪环结构，从而获得较低的介电损耗和介质损耗，可满足高频高速信号传输的要求。
42.对比例1
43.对比例1与实施例1的区别在于，其键合层采用fr-4环氧玻璃布层压板或pp(prepreg，预浸材料或称为半固化树脂、半固化片)，所带来介电常数和损耗角正切较大，在高频信号传输下，导致损耗增加。同时，该对比例1采用铜粉导电浆料填充填充互连通孔，其在高温固化过程中铜粉易被氧化以及导电浆料在长期使用过程中，尤其在潮湿环境中，所生成的氧化铜和氧化亚铜会导致电阻率升高，导电性能下降。
44.对比例2
45.对比例2与实施例1的区别在于，其键合材料为非光敏聚酰亚胺(polyimide，pi)，未添加无机填料。
46.介电常数dk损耗角正切df实施例13.2000.0090@10ghz实施例23.0840.0060@10ghz对比例14.5000.0200@10ghz对比例23.3000.0339@10ghz
47.由实施例和对比例可见，本发明采用复合键合材料可以获得低的介电常数和低的损耗角正切，即同时获得低介电损耗和低介质损耗，可满足高频高速信号传输的要求。
48.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种采用复合键合材料的多层玻璃基板及制作工艺，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种采用复合键合材料的多层玻璃基板，其特征在于：包括至少两层玻璃基板和设于两层玻璃基板之间的键合层；所述玻璃基板的表面设有布线层，所述玻璃基板设有上下贯穿的通孔，所述键合层设有开孔，所述通孔和开孔填充金属导电材料连同表面布线层实现上下互连；其中，所述键合层由非光敏复合键合材料固化形成，所述非光敏复合键合材料由40％～50％的有机组分和50％～60％的无机填料组成，其中有机组分包括非光敏聚酰亚胺、聚酰胺纤维、环氧树脂中的至少一种；无机填料包括氰酸酯、玻璃、硅、氧化硅中的至少一种，无机填料为微粉或纤维。2.根据权利要求1所述的采用复合键合材料的多层玻璃基板，其特征在于：所述键合层的厚度为10～100μm，所述无机填料的直径为0.1μm～0.3μm。3.根据权利要求1所述的采用复合键合材料的多层玻璃基板，其特征在于：所述键合层的df＜0.01，dk＜3.3。4.根据权利要求1所述的采用复合键合材料的多层玻璃基板，其特征在于：所述键合层的热膨胀系数和模量与所述玻璃基板相匹配。5.一种权利要求1～4任一项所述采用复合键合材料的多层玻璃基板的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：a)于第一玻璃基板上制作开口向上的盲孔，于盲孔内填充金属导电材料，于第一玻璃基板上表面制作第一布线层；b)采用所述非光敏复合键合材料于第一玻璃基板上表面形成键合层，预固化后通过激光开设贯穿键合层的开孔；c)将制作有上下贯穿的通孔的第二玻璃基板通过晶圆级键合方式键合到键合层上，然后固化所述键合层；d)于第二玻璃基板的通孔和键合层的开孔内填充金属导电材料，并在第二玻璃基板的上表面制作第二布线层；e)对第一玻璃基板进行机械减薄并形成tgv通孔，于第一玻璃基板下表面制作第三布线层。6.根据权利要求5所述的制作工艺，其特征在于：所述步骤b)中，将有机组分和无机组分按所述比例混合后形成非光敏复合键合材料片材，采用滚轮贴膜或者真空压合的方式贴合到所述第一玻璃基板上形成键合层。7.根据权利要求5所述的制作工艺，其特征在于：所述步骤b)中，预固化温度为100℃～120℃；所述步骤c)中，在160℃～220℃下烘烤固化所述键合层。8.根据权利要求5所述的制作工艺，其特征在于：所述步骤b)中，激光器为二氧化碳激光器或紫外激光器，所使用的激光光斑直径为10～40μm，单孔脉冲数为2000～10000，单脉冲能量为1uj～15uj。9.根据权利要求5所述的制作工艺，其特征在于：所述开孔内裸露所述第一布线层，所述开孔由裸露所述第一布线层的底部至顶部方向直径逐渐增大。10.根据权利要求5所述的制作工艺，其特征在于：通过重复步骤b)到步骤d)，形成多层玻璃基板堆叠和多层布线层上下导通的结构。

技术总结
本发明公开了一种采用复合键合材料的多层玻璃基板及其制作工艺，其结构包括至少两层玻璃基板和之间的键合层；玻璃基板设有上下贯穿的通孔，键合层设有开孔，通孔和开孔填充金属导电材料连同表面布线层实现上下互连；其中，键合层由非光敏复合键合材料固化形成。复合键合材料热膨胀系数及模量等性能与玻璃基板具有较高的匹配度，且具有较低的介电常数和损耗角正切，可满足高频高速信号传输的要求。可满足高频高速信号传输的要求。可满足高频高速信号传输的要求。


技术研发人员：陈作桓 于大全
受保护的技术使用者：厦门云天半导体科技有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/24